清华大学化工系张如范

qingfengshui

张如范，清华大学化工系教研系列助理教授、特别研究员、博士生导师。中国颗粒学会青年理事、中国化学会会员、中国化工学会专业会员。主持国家自然科学基金面上项目1项，参与科技部973、863等重大项目多项。获《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国化学会青年化学奖（2018）、中国新锐科技人物（2018）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）、教育部博士研究生学术新人奖（2012）等奖励。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系（导师：魏飞教授、张莹莹教授），2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究（合作导师：Prof. Yi Cui），2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果，曾制备出世界最长（单根长度55 cm）的碳纳米管、实现单根碳纳米管光学可视化及宏观尺度可控操纵、首次发现厘米级长度碳纳米管管壁间超润滑现象、制备出80GPa超强碳纳米管管束、开发出耐高温高效空气过滤材料等。上述成果曾多次被CCTV新闻联播、人民日报、科技日报、北京日报、Nanowerk、Physics Today、Physics World、NPG Asia Materials、Green Car Congress等国内外主流媒体报道。在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews等国际顶级期刊发表SCI论文40余篇；以第一或通讯作者身份在Nature Nanotechnology（2篇）、Nature Communications、Advanced Materials（2篇）、Nano Letters （3篇）、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、ACS Nano、Carbon、Nanoscale和Nano Research等期刊发表论文15篇；获授权发明专利6项；独立及参与撰写学术专著5部。


张如范
办公电话：86-10-62789648
办公地址：北京清华大学工物馆304A 绿色反应工程与工艺北京市重点实验室
电子邮件：zhangrufan@tsinghua.edu.cn
课题组网页（English）: 待更新
教育和工作经历
2018.8—至今        
清华大学化工系
助理教授、博导、特别研究员
2018.1-2018.8
清华大学化工系
助理研究员
2014.11-2017.12
斯坦福大学材料系
博士后
2009.9-2014.7
清华大学化工系
博士
2005.9-2009.7
中国石油大学（北京）化学科学与工程学院
本科
研究方向
纳米碳材料
研究碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料的生长机理、控制制备、结构调控、性能测量及应用等
功能材料
面向能源、催化、环保等领域，开展新型功能材料的可控制备、性能调控及应用等方面的研究
材料的表面及界面现象
研究微纳尺度下材料所呈现的独特的表面/界面现象，比如超润滑现象、表面化学特性、微尺度液滴在纳米纤维上的流动等
环保材料
针对日益严重的环境问题和需求，研究新型空气过滤材料和水污染处理材料等，以产生清洁的空气和水
项目课题
国家自然科学基金面上项目（51872156）：超长碳纳米管管束的可控制备及其结构与力学性能关系的研究，2019.01.01-2022.12.31
清华大学教研系列教师科研启动经费：2018.09.01-2021.08.31
学术荣誉与奖励
2016，教育部自然科学奖一等奖（排名：5/10）      
2015，瑞士Chorafas青年研究奖                        
2014，北京市优秀毕业生                                
2014，清华大学优秀毕业生                              
2014，清华大学优秀博士论文一等奖                     
2014，清华大学研究生学术新秀                          
2013，清华大学研究生特等奖学金                        
2013，中国纳米科学与技术国际会议最佳墙报奖            
2013，研究生国家奖学金                                
2013，巴斯夫首届亚太地区科技论坛最佳墙报奖            
2013，巴斯夫优秀博士生特等奖                          
2013，清华大学第330期博士生论坛优秀口头报告         
2012，研究生国家奖学金                                
2012，教育部博士研究生学术新人奖,                     
2012，第13届纳米管科学与应用国际会议最佳墙报奖      
2012，清华大学第304期博士生论坛优秀口头报告         
2012，金涌奖学金                                    
2012，首届FLOTU实验室建设贡献三等奖                 
2011，中日韩能源与环境纳米材料国际论坛最佳墙报奖      
2011，清华大学综合优秀二等奖学金                    
2009，北京市优秀毕业生                                
2008，道达尔奖学金                                   
2007，国家奖学金                                      
2006，国家奖学金                                    
论文


Google Scholar  https://zz.glgoo.top/extdomains/ ... orks&sortby=pubdate


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Peng Li, Yichen Zong, Yingying Zhang*, Mengmeng Yang, Rufan Zhang, Shuiqing Li, Fei Wei*. In-situ fabrication of CNT/quartz fiber filters for high efficiency filtration of sub-micron aerosols and high water repellency. Nanoscale, 5, 3367-3372, 2013.
Ziwu Liu, Qianqian Shi, Feng Peng*, Hongjuan Wang, Rufan Zhang, Hao Yu. Pt supported on phosphorus-doped carbon nanotube as an anode catalyst for direct methanol fuel cells. Electrochemistry Communications, 16, 73-76, 2012.
Jun Yan, Zhuangjun Fan, Wei Sun, Guoqing Ning, Tong Wei, Qiang Zhang, Rufan Zhang, Linjie Zhi, Fei Wei*. Advanced asymmetric supercapacitors based on Ni(OH)2/graphene and porous graphene electrodes with high energy density. Advanced Functional Materials, 22, 2632-2641, 2012.
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Qian Wen, Rufan Zhang, Weizhong Qian*, Yuran Wang, Pingheng Tan, Jingqi Nie, Fei Wei*. Growing 20 cm long DWNTs/TWNTs at a rapid growth rate of 80-90 μm/s. Chemistry of Materials, 22, 1294-1296, 2010.
专利:


Yi Cui, Rufan Zhang, Chong Liu, Po-Chun Hsu, Steven Chu. Air filter for high-efficiency PM2.5 capture. US20160166959 A1. (PCT专利).
张如范，魏飞，宁志远，张莹莹，陈清. 一种特定壁数和直径的碳纳米管的制备方法, ZL 201210229402.X (中国专利授权号)
张如范，魏飞，宁志远，张莹莹，陈清. 一种碳纳米管线轴及其制备方法与编织方法, ZL 201210229357.8 (中国专利授权号)
张如范，魏飞，张莹莹，谢欢欢. 一种移动恒温区法制备超长碳纳米管的方法, ZL 201210260099.X (中国专利授权号)
魏飞，张如范，温倩，骞伟中. 一种超长碳纳米管及其制备方法, ZL 201010586433.1 (中国专利授权号)
魏飞，李鹏，张莹莹，张如范. 一种基于碳纳米管的空气过滤材料及其制备方法, ZL 201210031785. X (中国专利授权号).
著作                                                           


Rufan Zhang, Yingying Zhang, Fei Wei. Nanotube Superfiber Materials: Chapter 4: Synthesis and Properties of Ultralong Carbon Nanotubes. Elsevier Science, Amsterdam; ISBN: 9781455778638, 87-135, 2013.
张如范，聂晶琦，魏飞.《碳纳米管的宏量制备技术》：第五章: 超长碳纳米管水平阵列的宏量制备. 科学出版社, 北京. ISBN: 9787030336217, 155-212, 2012.
张如范, 张强,魏飞. 《化学工程：从基础研究到工业应用》：第10.8章：碳纳米管的批量制备及应用. 化学工业出版社, 北京. ISBN: 9787122239181, 409-418, 2015.
张如范. 《宏观长度结构完美的超长碳纳米管的可控制备与性质研究》. 清华大学出版社, 北京. ISBN: 97873024622002017（In press）

qingdan

麻省理工科技评论“35岁以下科技创新35人”
张如范
碳纳米管超强材料
年龄：32 岁
职位：清华大学化工系助理教授
获奖类别：发明家
获奖事由：在世界上首次实现了半米长碳纳米管制备以及拉伸强度接近于单根碳纳米管的碳纳米管管束的制备，为该领域具有程碑意义的成果。
获奖人制备出了世界最长碳纳米管以及拉伸强度达到80 GPa的超强碳纳米管纤维，其强度远超目前已知的任何其它一种纤维材料。碳纳米管在电学、力学和热学等多方面均有极佳性能，是未来碳基半导体材料以及超强材料的核心。
获奖人的研究对于超强纤维、碳基半导体材料、透明显示等高端材料的制备方面具有革命性的意义，有望广泛应用于航空航天、半导体等诸多领域。

xiehui

纳米材料的便捷可视化与可控操纵是对其开展基础物性研究和器件制备的关键，尤其是对于碳纳米管这种直径仅有数纳米的纳米材料而言，快速的观测、定位与表征非常重要。扫描电子显微镜和透射电子显微镜是对碳纳米管进行表征的有力工具，它们具备诸多优势，但同时存在许多限制如需要高真空环境、多数情况下难以对样品进行操纵等。与非悬空碳纳米管相比，悬空碳纳米管由于缺乏与基底的成像对比，使其在电子显微镜中的观测更加困难。不仅如此，诸如碳纳米管的拉曼光谱测量和纳米器件制备等很多表征则需要在大气环境下进行，由于碳纳米管的纳米级直径已经超出了光学显微镜的分辨率极限，使得它们无法在光学显微镜下被观测到，这就为碳纳米管在光学显微镜下的表征带来很多困难。因此，开发单根碳纳米管的光学可视化技术对于顺利开展碳纳米管在光学环境下的表征具有重要的意义。

        为实现碳纳米管的光学可视化，研究者开展了很多尝试，也发展出不少有效的方法。目前已报道的方法可分为两类：一种方法是利用纳米颗粒或纳米液滴对碳纳米管进行修饰，利用这些纳米颗粒或液滴的散射效应辅助实现单根碳纳米管的光学可视化；另一种方法是直接开发具有超高分辨率的高端光学显微镜并结合专门设备对碳纳米管进行直接成像。然而，上述两类方法都存在一些限制和不足之处，如操作过程危险、颗粒难以去除等。因此，开发一种简便、快捷、安全碳纳米管的光学可视化方法具有重要的意义。
        近日，清华大学张如范课题组提出了一种非常巧妙的思路，利用物质燃烧产生的烟中的焦油液滴，实现了单根碳纳米管的快速、简便和安全的可视化效果。
        以香烟为例，当香烟烟气接触到悬空碳纳米管时，其中包含的大量焦油液滴在碳纳米管上快速沉积，形成如珍珠项链一般漂亮的串珠状结构。随接触时间延长，液滴快速长大，当其直径增大至与可见光波长相当时，由于它们对可见光产生较强的米氏散射效应，从而可以在光学显微镜下清楚成像，从而实现了碳纳米管的快速定位。并且上述过程非常便于进行原位操纵，从而可以实现单根碳纳米管的原位和快速光学可视化。
该过程简捷快速，只需几秒钟即可完成，且原料来源广泛，纸张、木材、檀香、香烟等任何可以燃烧生烟的物质都可用于上述过程。只需使其烟雾与碳纳米管接触即可实现可视化，对环境条件（如温度、湿度等）无任何严格要求，使该方法不受环境及原料限制，大大简化了纳米材料的光学可视化这一问题，为纳米材料的快速定位与后续应用提供便利。另外，在环境条件下，焦油液滴可以长期稳定存在，并且，通过激光辐照，焦油液滴可根据实际需要在不损坏碳纳米管的情况下进行局部或全部去除以及再沉积，使其应用范围得到进一步扩展。
       利用该方法，可以轻松实现碳纳米管的拉伸、转移、力学性能测试等操纵。另外，该方法同样适用于二维悬空碳纳米管网络。利用该可视化方法可以观察到其独特的蜘蛛网状结构，且可以利用该网络承载微小颗粒（如NaCl、FeCp2等），有望将其用于微小质量传感器等。
       该工作获得国家自然科学基金（51872156, 22075163），国家重点研发计划（2020YFC2201103, 2020YFA0210702）的资助，谨此感谢。

xinqing

气流传感器在航空航天、气象预测、环境监控、生物医药、电子皮肤、可穿戴设备及集成智能设备等领域有十分重要的应用。然而，传统的气流传感器响应速率慢、灵敏度低、检出限高、检测范围窄和回滞较大，严重限制了相关应用。近日，化工系张如范副教授课题组在制备超灵敏碳纳米管气流传感器方面取得重要进展，首次提出了利用超长碳纳米管悬空网络（SCNTN）制备超灵敏气流传感器的概念，制备出了结构独特的碳纳米管气流传感器，展示出优异的性能。

图：SCNTNs气流传感器的制备及其优异性能

        碳纳米管直径小，长径比大，柔性好，密度小，力学和电学性能优异，是制备高性能气流传感器的理想材料。然而，由于碳纳米管制备技术的限制，以前研究中多采用聚团状碳纳米管宏观体，或用碳纳米管粉体与其他材料的体相复合材料做传感部件。这些设计无法发挥碳纳米管自身的结构和性能优势，使传感性能大打折扣，灵敏度差、响应速度慢、检测范围小，与传统气流传感器相比体现不出优势。同时，基于复合体相材料的气流传感器结构复杂，传感机理不明晰，难以为高性能气流传感器的设计提供指导。
        张如范课题组充分发挥制备结构完美的超长碳纳米管的特长，提出了用超长碳纳米管悬空网络制备超灵敏气流传感器的思路（图a-d），并发展了一种简便制备超长碳纳米管悬空网络的技术。以此悬空网络作为传感体，组装电极和封装，制得了原型器件。测试表明，其响应时间非常短（0.021 s），灵敏度高（0.0124 s m-1），检测阈值低（0.11 m s-1），检测范围宽（0.11~5.51 m s-1），综合性能显著优于目前大多数报道，充分展示了超长碳纳米管的超轻超细悬空网络结构所具有的优异力学和电学性能及极好的柔性带来的性能革新（图f-k）。
        该成果以“基于悬空碳纳米管网络的超灵敏气流传感器”（Ultrasensitive Airflow Sensors Based on Suspended Carbon Nanotube Networks）为题发表在Wiley出版集团旗下的材料领域知名期刊Advanced Materials（《先进材料》）上。研究论文的第一作者为化工系直博生姜沁源和李润，通讯作者为张如范副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107062

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近日，清华大学化工系张如范副教授课题组在高性能彩色碳纳米管纤维可控制备方面取得突破，在世界上首次制备出彩色碳纳米管纤维，展示出优异的阻燃性能和耐久性能，首次解决了长期以来碳纳米管难以彩色化和易燃的难题，显著提升了其性能优势，拓展了其应用领域。

图1. 本工作被《科学·进展》（Science Advances）选为特色论文并在网站首页进行报道

        碳纳米管被认为是制备超强纤维、透明导电膜、下一代碳基芯片、智能可穿戴设备等众多前沿领域的候选材料，在过去的三十多年中得到了广泛关注。碳纳米管纤维因其低密度、高强度、高韧性、高柔性、高电导率、低热膨胀系数和多功能特性，在航空航天和国防军工等领域具有重大的需求，能够有效地提高飞行器的有效载重、耐腐蚀性、抗冲击疲劳性、耐热性等。此外，碳纳米管纤维也是制备柔性纤维电极的理想材料，在以智能电子织物及其功能集成系统为代表的可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。
         然而，碳纳米管的两个固有性能特性严重限制了其性能提升和应用范围。首先，碳纳米管因其对可见光的超强吸收能力，被认为是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度结晶性以及化学惰性，也无法利用常规方法对其进行化学染色，因此，碳纳米管单调的黑颜色和难以着色特性使其难以满足美学和时尚的要求，极大地限制了它们在柔性可穿戴设备、智能织物、功能涂层等众多领域的应用。此外，作为一种典型的碳材料，碳纳米管高温有氧环境中容易燃烧，这种易燃特性严重限制了它们在飞行器外壳、武器装备等众多涉及高温有氧环境中的应用。

图2.碳纳米管纤维的结构致色方法及其原理示意图

          张如范课题组受自然界中结构色的启发，首次提出了利用结构致色实现碳纳米管彩色化的思路。课题组利用原子层沉积技术在碳纳米管纤维表面覆盖一层厚度仅为50~300纳米的二氧化钛（TiO2）致密涂层，即可使碳纳米管纤维表面呈现出鲜艳的颜色（图2）。作者深入研究碳纳米管纤维的致色机理，当入射光到达涂有TiO2层的碳纳米管纤维表面时，除了少部分光被吸收外，大部分入射光在TiO2层表面产生反射、散射或折射现象，由于TiO2与碳纳米管对可见光反射率与折射率的差异，TiO2层与碳纳米管纤维表面发生薄膜干涉，从而使包覆有TiO2层的碳纳米管纤维产生绚丽的颜色。通过调节氧化物种类和厚度，即可改变碳纳米管纤维表面的颜色。这种致色方法具有很好的普适性，可适用于任何类型的碳纳米管纤维；此外，除了TiO2，其他常见的氧化物（如氧化锌、氧化铝、氧化镁、氧化硅等）均可用作良好的结构致色涂层材料。

图3.彩色碳纳米管纤维的结构耐久性、阻燃性及其力学和电学性能

          基于结构色的彩色碳纳米管纤维表现出优异的性能。首先，由于氧化物涂层与碳纳米管纤维表面之间存在化学键，从而使其具有较强的附着力。相比于传统染料和颜料，以氧化物涂层为基础的碳纳米管结构色表现出了超强的耐久性（图3），可经受2000次洗涤实验和10个月以上的高强度紫外线辐照实验。更重要的是，覆盖氧化物涂层的碳纳米管纤维具备显著的阻燃性能，与纯碳纳米管纤维相比，覆盖有氧化物涂层的碳纳米管纤维在接触火焰8小时后仍不发生燃烧，并能保持结构的完整性。此外，氧化物涂层对碳纳米管纤维原有的电学和力学性能的影响非常小。因此，这种基于无机氧化物涂层的碳纳米管结构致色技术显著提高了碳纳米管的本征性能，大大拓宽了其应用领域。
         该工作以研究长文形式发表在国际知名期刊《科学·进展》（Science Advances）上，题为“具备超耐久性和阻燃性的碳纳米管结构致色”（Superdurableand fire-retardant structural coloration of carbon nanotubes），并被选为该期刊2022年第26期特色论文（Featuredarticle）（图1）。
        论文通讯作者为清华大学化工系张如范副教授，共同第一作者为化工系博士后陈凤翔，2019级联培硕士生黄娅、2020级博士生李润、2021级联培硕士生张世亮。其他合作者包括清华大学化工系魏飞教授，博士后王宝顺、吴学科、张文硕，2019级博士生姜沁源、2021级博士生汪菲、2021级博士生赵思名。共同作者还包括武汉纺织大学徐卫林院士、2019级博士生吕佩、2022级硕士生骆宇新。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
         论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5882